一种非弹性碰撞和滚动粘滞阻力颗粒耦合耗能数控机床的制作方法
【专利摘要】一种非弹性碰撞和滚动粘滞阻力颗粒耦合耗能数控机床，涉及数控机床。设有数控机床床身、立柱、横梁、顶梁、加强梁、滑枕、电主轴、工作台；在数控机床的最少1件结构件内设有至少2层耦合耗能板，所述结构件包括数控机床床身、数控机床立柱、数控机床横梁、数控机床顶梁、数控机床加强梁、数控机床滑枕等中的至少一种，在耦合耗能板上设有凹槽阵列，在凹槽阵列的每一个凹槽内放置至少2粒高表面粘滞阻力高分子颗粒，在每一个凹槽内放置1粒表面低恢复系数颗粒。当机床高速重切削时，耦合耗能板能将切削力产生的单向和多向振动能量迅速逐级耗散，耗能因子高，抑振效果明显，有效提高机床稳定性和加工精度。
【专利说明】
一种非弹性碰撞和滚动粘滞阻力颗粒耦合耗能数控机床
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及数控机床，尤其是涉及一种非弹性碰撞和滚动粘滞阻力颗粒耦合耗能数控机床。
【背景技术】
[0002]目前，数控机床的发展趋势是高速度、高精度和高效率，然而高速度和重切削会引起机床床身的稳定性下降，影响工件的加工精度。
[0003]国外用于提高机床稳定性的常用方法(H wang C，Jack C H, Wu T S，etal.Framework for integrated mechanical design automat1n[J].Computer AidedDesign, 2000 ；32(5):355-365)为通过有限元等方法对机床各部件进行静力学、动力学计算，优化机床各结构件的筋板布置和结构支撑，但缺点是工艺计算难度较大，制造周期较长。国内提高机床稳定性的常用方法(陈超，大型龙门铣床基础设计的几个问题，科技创新导报，2011，4:73-74)为增加机床结构壁厚，缺点是增加了金属材料使用量和制造成本。
[0004]随着转速和加工效率的提高，数控机床稳定性的控制是一个非常重要的制约环节，增加机床各结构件的耗能机制对提高数控机床的稳定性具有重要作用。
【发明内容】
[0005]本实用新型目的在于提供一种非弹性碰撞和滚动粘滞阻力颗粒耦合耗能数控机床。
[0006]本实用新型设有数控机床床身、数控机床立柱、数控机床横梁、数控机床顶梁、数控机床加强梁、数控机床滑枕、数控机床电主轴、数控机床工作台；
[0007]在数控机床床身、数控机床立柱、数控机床横梁、数控机床顶梁、数控机床加强梁、数控机床滑枕内分别设有至少2层耦合耗能板，在耦合耗能板上设有凹槽阵列，在凹槽阵列的每一个凹槽内放置至少2粒高表面粘滞阻力高分子颗粒，在每一个凹槽内放置I粒表面低恢复系数颗粒。
[0008]所述凹槽阵列可设为mXn凹槽阵列，m为耦合耗能板的长度方向颗粒凹槽数，η为耦合耗能板的宽度方向颗粒凹槽数。
[0009]每个凹槽内可放置100?5000粒高表面粘滞阻力高分子颗粒。
[0010]所述高表面粘滞阻力高分子颗粒可采用互穿网络型聚合物，互穿网络型聚合物是通过双网络之间相互交叉渗透、机械缠结而产生强迫互容和协同效应的一种综合性能良好的甲基苯基聚硅氧烷与丙烯酸酯互穿聚合物高分子材料互穿网络型聚合物，高表面粘滞阻力高分子颗粒的粒径可为0.1?0.3mm。
[0011]所述表面低恢复系数颗粒可采用金属颗粒外面包覆甲基苯基聚硅氧烷与丙烯酸酯互穿网络型聚合物，金属颗粒的密度可为7.0?18.3g/cm3，金属颗粒的粒径可为2?10mm，包覆的甲基苯基聚硅氧烷与丙烯酸酯互穿网络型聚合物的厚度可为0.2?0.5mm。
[0012]所述稱合耗能板为表面设有mXn凹槽阵列的金属板。
[0013]所述耦合耗能板的凹槽直径Cl1可为0.92?0.94d，d为表面低恢复系数颗粒的直径，凹槽深度Ii1可为0.21?0.23d，凹槽内填放的高表面粘滞阻力高分子颗粒距耦合耗能板表面的深度h2可为0.079?0.08Id。
[0014]在数控机床切削加工时，主轴的切削力会引起机床结构件的振动，当结构件将振动传递到耦合耗能板后，在耦合耗能板凹槽内表面低恢复系数颗粒在高表面粘滞阻力高分子颗粒中进行滚动，这个过程的粘滞阻力耗散了 20%?40%的动能，结构体振动位移越大，粘滞阻力耗散能量越多。当机床结构件传递过来的能量不大时，依靠表面低恢复系数颗粒在高表面粘滞阻力高分子颗粒上滚动产生的粘滞阻力即可将动能耗散；在振动能量大于粘滞阻力耗散能量时，耦合耗能板上相邻的表面低恢复系数颗粒以高碰撞频率、低恢复系数发生非弹性碰撞，通过7?12个表面低恢复系数颗粒迅速将耦合耗能板的动能逐级耗散。相邻表面低恢复系数颗粒之间保留一个必要的间隙S，表面低恢复系数颗粒在耦合耗能板的位置排布通过离散元计算得出。由于在数控机床结构件上设置多层耦合耗能板，在每层耦合耗能板上高频率的进行表面低恢复系数颗粒和高表面粘滞阻力高分子颗粒的非弹性碰撞和滚动粘滞阻力的耦合耗能，从而使得由机床主轴切削产生的振动被增加的多层耗能板迅速抑制，耗能因子高，抑振效果明显，从而有效提高了数控机床的稳定性和加工精度。
[0015]与现有技术相比，本实用新型的优点如下:
[0016](I)本实用新型在数控机床各结构件内部安装耦合耗能板后，当机床高速重切削时，能将切削力产生的单向和多向振动能量通过耦合耗能板迅速逐级耗散，耗能因子高，抑振效果明显，有效提闻了机床的稳定性和加工精度。
[0017](2)本实用新型对原结构改动小，附加成本较低，易于实行。
[0018](3)本实用新型采用的表面低恢复系数颗粒以金属材料为基材，外面包覆甲基苯基聚硅氧烷与丙烯酸酯互穿聚合物，表面低恢复系数颗粒强度高、不易腐蚀、寿命长，可长期使用。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为在以单向振动为主的结构件上安装的耦合耗能板的凹槽位置分布俯视图；
[0020]图2为图1的A-A剖视图；
[0021]图3为图2中B-B局部放大示意图；
[0022]图4为在以多向振动为主的结构件上安装的耦合耗能板的凹槽位置分布俯视图；
[0023]图5为图4的C-C剖视图；
[0024]图6为图4的D-D剖视图；
[0025]图7为数控龙门铣床的结构件示意图；
[0026]图8为数控机床立柱不同闻度安装稱合耗能板不意图；
[0027]图9为数控机床原有立柱与采用本实用新型的方法后频响函数对比曲线。
[0028]图中各标记为:11一数控机床床身，12—数控机床立柱，13—数控机床横梁，14一数控机床顶梁，15—数控机床加强梁，16—数控机床滑枕，17—数控机床电主轴，18—数控机床工作台，2—装在机床结构件上的耦合耗能板，3—在耦合耗能板上加工出的经离散元计算的表面低恢复系数颗粒位置排布凹槽，4一高表面粘滞阻力高分子颗粒，5—表面低恢复系数颗粒。
【具体实施方式】
[0029]以下实施例将结合附图对本实用新型作进一步的说明。
[0030]参见图1?8，本实用新型实施例设有数控机床床身11、数控机床立柱12、数控机床横梁13、数控机床顶梁14、数控机床加强梁15、数控机床滑枕16、数控机床电主轴17、数控机床工作台18 ；
[0031]在数控机床床身11、数控机床立柱12、数控机床横梁13、数控机床顶梁14、数控机床加强梁15、数控机床滑枕16内分别设有至少2层耦合耗能板2，在耦合耗能板2上设有凹槽阵列，在凹槽阵列的每一个凹槽内放置至少2粒高表面粘滞阻力高分子颗粒4，在每一个凹槽3内放置I粒表面低恢复系数颗粒5。
[0032]所述凹槽阵列可设为mXn凹槽阵列，m为耦合耗能板2的长度方向颗粒凹槽数，η为耦合耗能板2的宽度方向颗粒凹槽数。
[0033]每个凹槽内可放置100?5000粒高表面粘滞阻力高分子颗粒4。
[0034]所述高表面粘滞阻力高分子颗粒4可采用互穿网络型聚合物，互穿网络型聚合物是通过双网络之间相互交叉渗透、机械缠结而产生强迫互容和协同效应的一种综合性能良好的甲基苯基聚硅氧烷与丙烯酸酯互穿聚合物高分子材料互穿网络型聚合物，高表面粘滞阻力高分子颗粒4的粒径可为0.1?0.3mm。
[0035]所述表面低恢复系数颗粒5可采用金属颗粒外面包覆甲基苯基聚硅氧烷与丙烯酸酯互穿网络型聚合物，金属颗粒的密度可为7.0?18.3g/cm3，金属颗粒的粒径可为2?10mm，包覆的甲基苯基聚硅氧烷与丙烯酸酯互穿网络型聚合物的厚度可为0.2?0.5mm。
[0036]所述稱合耗能板为表面设有mXn凹槽阵列的金属板。
[0037]所述耦合耗能板的凹槽直径Cl1可为0.92?0.94d，d为表面低恢复系数颗粒5的直径，凹槽深度Ii1可为0.21?0.23d，凹槽内填放的高表面粘滞阻力高分子颗粒4距耦合耗能板表面的深度h2可为0.079?0.08Id。
[0038]在数控机床切削加工时，主轴的切削力会引起机床结构件的振动，当结构件将振动传递到耦合耗能板后，在耦合耗能板凹槽内表面低恢复系数颗粒5在高表面粘滞阻力高分子颗粒4中进行滚动，这个过程的粘滞阻力耗散了 20%?40%的动能，结构体振动位移越大，粘滞阻力耗散能量越多。当机床结构件传递过来的能量不大时，依靠表面低恢复系数颗粒5在高表面粘滞阻力高分子颗粒4上滚动产生的粘滞阻力即可将动能耗散；在振动能量大于粘滞阻力耗散能量时，耦合耗能板上相邻的表面低恢复系数颗粒以高碰撞频率、低恢复系数发生非弹性碰撞，通过7?12个表面低恢复系数颗粒迅速将耦合耗能板的动能逐级耗散。相邻表面低恢复系数颗粒之间保留一个必要的间隙S，表面低恢复系数颗粒在耦合耗能板的位置排布通过离散元计算得出。由于在数控机床结构件上设置多层耦合耗能板，在每层耦合耗能板上高频率的进行表面低恢复系数颗粒和高表面粘滞阻力高分子颗粒的非弹性碰撞和滚动粘滞阻力的耦合耗能，从而使得由机床主轴切削产生的振动被增加的多层耗能板迅速抑制，耗能因子高，抑振效果明显，从而有效提高了数控机床的稳定性和加工精度。
[0039]在单向振动传递到第I个表面低恢复系数颗粒后，速度的衰减如下式所示:
γ~τ Mp,n1-\ [I + ea~\),.]
[0040]Vn = —---V1
,=2+ m I
[0041]式中，Ini为表面低恢复系数颗粒5的质量，ej为表面低恢复系数颗粒5的恢复系数，V1为表面低恢复系数颗粒初速度，Vn为第η个表面低恢复系数颗粒初速度，μ ρ为动力学粘滞系数。
[0042]通过7?10个表面低恢复系数颗粒5低恢复系数的非弹性碰撞和高表面粘滞阻力高分子颗粒的粘滞阻力的耦合耗能后，速度可降低80%以上，因此能迅速抑制振动能量。
[0043]对于机床切削时以多向为主的结构件，如横梁13、立柱12等，耦合耗能板2上凹槽3的安装如图4?6所示，此时如果凹槽3还采用图1?3的布置，一个颗粒与相邻颗粒发生非弹性碰撞的频率较低，耗能效果很差，而且整个耦合耗能板的耗能分布不均匀，易导致机床结构件动态偏载。经计算，此时耦合耗能板2上凹槽3的安装如图4?6所示，每个高表面粘滞阻力高分子颗粒4周围都有分布均匀的6个表面低恢复系数颗粒5，每次非弹性碰撞都有3?4个表面低恢复系数颗粒5参与，通过9?12个表面低恢复系数颗粒5低恢复系数的非弹性碰撞和高表面粘滞阻力高分子颗粒4的粘滞阻力的耦合耗能后，速度可降低80%以上，能迅速抑制振动能量。
[0044]表面低恢复系数颗粒5和高表面粘滞阻力高分子颗粒4之间可保留间隙δ，间隙δ可为0.12?0.28d，间隙δ过大会导致表面低恢复系数颗粒发生非弹性碰撞的频率降低，间隙δ过小会影响表面低恢复系数颗粒5非弹性碰撞的压缩阶段和恢复阶段的冲量衰减，因此凹槽的加工精度、表面低恢复系数颗粒5的形状精度等的公差范围须满足表面低恢复系数颗粒5之间的间隙δ。
[0045]以数控机床立柱为例进行说明，图8为在数控机床的立柱(即图7中的12)内安装耦合耗能板的示意图。
[0046]数控机床立柱高度为4.2m,由于立柱上部振动位移较大，在立柱高度的3.2?
4.lm，共安装22层耦合耗能板，在该部分耦合耗能板上的表面低恢复系数颗粒5的粒径为
9.5_，密度为7.21g/cm3，表面低恢复系数颗粒5外面包覆甲基苯基聚硅氧烷与丙烯酸酯互穿聚合物，包覆的聚合物厚度为0.3mm。耦合耗能板上凹槽的排布形式如图4?6所示，耦合耗能板厚度为9.5mm，耦合耗能板垂直向间距为4.5mm。表面低恢复系数颗粒的间距δ为1.03mm,凹槽直径(I1的取值为8.3mm,凹槽深度Ii1为1.9mm,凹槽内填放的高表面粘滞阻力高分子颗粒距耦合耗能板表面的深度h2为0.7mm,高表面粘滞阻力高分子颗粒的粒径为
0.2mmο在数控机床切削加工时，主轴的切削力引起机床立柱上部的振动将通过耦合耗能板将振动传递到排布好的表面低恢复系数颗粒系统，表面低恢复系数颗粒体系通过低恢复系数的非弹性碰撞和微细颗粒的粘滞阻力的耦合耗能将传递来的机械能迅速逐级耗散，起到提高数控机床稳定性和加工精度的作用。
[0047]在数控机床立柱高度的2.1?3.2m，共安装27层耦合耗能板，在该部分耦合耗能板上的表面低恢复系数颗粒的粒径为5.2mm，密度为6.98g/cm3，表面低恢复系数颗粒5外面包覆甲基苯基聚硅氧烷与丙烯酸酯互穿聚合物，包覆的聚合物厚度为0.27_。耦合耗能板上凹槽的排布形式如图4?6所示，耦合耗能板厚度为7.5mm，耦合耗能板垂直向间距为3.5mm。表面低恢复系数颗粒的间距δ为0.65mm,凹槽直径(I1的取值为4.8mm,凹槽深度Ii1为1.1mm,凹槽内填放的高表面粘滞阻力高分子颗粒距耦合耗能板表面的深度h2为0.4mm,高表面粘滞阻力高分子颗粒的粒径为0.2_。在数控机床切削加工时，主轴的切削力引起机床立柱中部的振动将通过耦合耗能板将振动传递到排布好的表面低恢复系数颗粒系统，表面低恢复系数颗粒体系通过低恢复系数的非弹性碰撞和微细颗粒的粘滞阻力的耦合耗能将传递来的机械能迅速逐级耗散，起到提高数控机床稳定性和加工精度的作用。
[0048]在数控机床立柱高度的0.7?2.1m,共安装25层耦合耗能板，在该部分耦合耗能板上的表面低恢复系数颗粒的粒径为3.8mm，密度为6.74g/cm3，表面低恢复系数颗粒5外面包覆甲基苯基聚硅氧烷与丙烯酸酯互穿聚合物，包覆的聚合物厚度为0.21_。耦合耗能板上凹槽的排布形式如图4?6所示，耦合耗能板厚度为5.5mm，耦合耗能板垂直向间距为1.8mm。表面低恢复系数颗粒的间距δ为0.52mm，凹槽直径(I1为3.53mm，凹槽深度Ii1为
0.84mm,凹槽内填放的高表面粘滞阻力高分子颗粒距耦合耗能板表面的深度h2为0.3mm,高表面粘滞阻力高分子颗粒的粒径为0.2_。在数控机床切削加工时，主轴的切削力引起机床立柱下部的振动将通过耦合耗能板将振动传递到排布好的表面低恢复系数颗粒系统，表面低恢复系数颗粒体系通过低恢复系数的非弹性碰撞和微细颗粒的粘滞阻力的耦合耗能将传递来的机械能迅速逐级耗散，起到提高数控机床稳定性和加工精度的作用。
[0049]对数控机床该立柱进行稳定性分析，立柱尺寸为650mmX 450mmX 4300mm,图9为原始立柱与采用本实用新型的方法后频响函数对比曲线。在I?300Hz中低频带内，本实用新型比原始立柱的第I共振峰峰值下降约70%，第2共振峰峰值下降约50%，第三共振峰及后续共振峰被大幅抑制，下降幅值可达1400%?3800%。在300?600Hz中频带内，本实用新型将原始立柱连续的高值谱峰减弱成两个很平缓的谱峰。由此可以看出，采用本实用新型的方法后，表面低恢复系数颗粒体系通过低恢复系数的非弹性碰撞和微细颗粒的粘滞阻力的耦合耗能将传递来的机械能迅速逐级耗散，数控机床的稳定性大幅提升。
【权利要求】
1.一种非弹性碰撞和滚动粘滞阻力颗粒耦合耗能数控机床，其特征在于设有数控机床床身、数控机床立柱、数控机床横梁、数控机床顶梁、数控机床加强梁、数控机床滑枕、数控机床电主轴、数控机床工作台； 在数控机床的最少I件结构件内设有至少2层耦合耗能板，所述结构件包括数控机床床身、数控机床立柱、数控机床横梁、数控机床顶梁、数控机床加强梁、数控机床滑枕中的至少一种，在耦合耗能板上设有凹槽阵列，在凹槽阵列的每一个凹槽内放置至少2粒高表面粘滞阻力高分子颗粒，在每一个凹槽内放置I粒表面低恢复系数颗粒。
2.如权利要求1所述一种非弹性碰撞和滚动粘滞阻力颗粒耦合耗能数控机床，其特征在于所述凹槽阵列设为mXn凹槽阵列，m为耦合耗能板的长度方向颗粒凹槽数，η为耦合耗能板的宽度方向颗粒凹槽数。
3.如权利要求1所述一种非弹性碰撞和滚动粘滞阻力颗粒耦合耗能数控机床，其特征在于每个凹槽内放置100?5000粒高表面粘滞阻力高分子颗粒。
4.如权利要求1所述一种非弹性碰撞和滚动粘滞阻力颗粒耦合耗能数控机床，其特征在于所述高表面粘滞阻力高分子颗粒的粒径为0.1?0.3mm。
5.如权利要求1所述一种非弹性碰撞和滚动粘滞阻力颗粒耦合耗能数控机床，其特征在于所述表面低恢复系数颗粒采用金属颗粒外面包覆甲基苯基聚硅氧烷与丙烯酸酯互穿网络型聚合物。
6.如权利要求5所述一种非弹性碰撞和滚动粘滞阻力颗粒耦合耗能数控机床，其特征在于所述金属颗粒的密度为7.0?18.3g/cm3,金属颗粒的粒径为2?10mm。
7.如权利要求5所述一种非弹性碰撞和滚动粘滞阻力颗粒耦合耗能数控机床，其特征在于所述包覆甲基苯基聚硅氧烷与丙烯酸酯互穿网络型聚合物的厚度为0.2?0.5_。
8.如权利要求1所述一种非弹性碰撞和滚动粘滞阻力颗粒耦合耗能数控机床，其特征在于所述耦合耗能板为表面设有mXn凹槽阵列的金属板。
9.如权利要求1所述一种非弹性碰撞和滚动粘滞阻力颗粒耦合耗能数控机床，其特征在于所述耦合耗能板的凹槽直径Cl1为0.92?0.94d，d为表面低恢复系数颗粒的直径，凹槽深度H1为0.21?0.23d，凹槽内填放的高表面粘滞阻力高分子颗粒距耦合耗能板表面的深度 h2 为 0.079 ?0.081d。
【文档编号】B23Q11/00GK203993347SQ201420449492
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年8月11日 优先权日:2014年8月11日
【发明者】肖望强 申请人:厦门大学